Zwarte gaten

Zwarte gaten behoren tot de vreemdste en meest fascinerende objecten in het heelal. Het zijn objecten met een extreem hoge dichtheid waarvan de aantrekkingskracht zó sterk is dat zelfs licht niet kan ontsnappen als het te dicht in de buurt komt. Er zijn een aantal verschillende soorten zwarte gaten te onderscheiden.

Stellaire zwarte gaten

Een ster die aan het eind van zijn leven door zijn nucleaire brandstof heen is zal ineenstorten. Kleinere sterren met een massa tot drie zonsmassa’s vormen een neutronenster of een witte dwerg. Als een grote, zware ster ineenstort zal er een stellair zwart gat over blijven.

Artist impression van een stellair zwart gat
Artist impression van een stellair zwart gat

Zwarte gaten die geworden worden door het ineenstorten van een individuele ster zijn kleiner maar hebben een hele hoge dichtheid. Dergelijke objecten hebben een massa van drie zonsmassa’s of meer samengepakt in een bol met een doorsnede van een flinke stad. Dit levert een enorme aantrekkingskracht op die alle voorwerpen die in de buurt komen zal aantrekken. Deze zwarte gaten slurpen alle stof en gas op uit de omgeving op zo in grootte toe te nemen.

Supermassieve zwarte gaten

Kleine zwarte gaten bevolken het hele universum maar supermassieve zwarte gaten domineren. Supermassieve zwarte gaten zijn miljoen tot miljarden keren massiever dan onze Zon maar hebben een doorsnede die gelijk is aan de Zon. Men denkt dat dergelijke zwarte gaten voorkomen in de kern van nagenoeg ieder sterrenstelsel inclusief het onze.

Opname van het centrum van ons sterrenstelsel. Uit de bewegingen van de sterren leidt men af dat er een supermassief zwart gat aanwezig moet zijn.
Opname van het centrum van ons sterrenstelsel. Uit de bewegingen van de sterren leidt men af dat er een supermassief zwart gat aanwezig moet zijn.

Wetenschappers weten nog niet precies hoe dergelijke grote zwarte gaten worden gevormd. Maar als ze eenmaal zijn gevormd dat kunnen ze gemakkelijk groeien door stof en gas om hen heen verzamelen want dat is materie die meer dan voldoende voorkomt in het centrum van sterrenstelsels.

Supermassieve zware gaten zouden het resultaat kunnen zijn van het samensmelten van honderden of duizenden kleine zwarte gaten. Ook grote gaswolken zouden verantwoordelijk kunnen zijn doordat ze ineen zijn gestort en snel massa hebben hebben aangetrokken. Een derde optie is het ineen storten van een cluster van sterren.

Tussenliggende zwarte gaten – de middelmaat

Wetenschappers hebben lange tijd aangenomen dat er alleen hele kleine en hele grote zwarte gaten konden bestaan maar recent onderzoek heeft aan het licht gebracht dat er ook zwarte gaten van een gemiddelde grootte bestaan. Dergelijke zwarte gaten kunnen ontstaan als sterren in een cluster in een kettingreactie met elkaar botsen. Verschillende van deze zware gaten die in eenzelfde gebied zijn gevormd zouden eventueel in het centrum van een sterrenstelsel terecht kunnen komen om daar een supermassief zwart gat te vormen.

Opname van actieve stervorming in M82. De opname is gemaakt door de Chandra röntgentelescoop. De heldere punten in de uitsnede zijn vermoedelijk zwarte gaten van gemiddelde grootte
Opname van actieve stervorming in M82. De opname is gemaakt door de Chandra röntgentelescoop. De heldere punten in de uitsnede zijn vermoedelijk zwarte gaten van gemiddelde grootte

Zwarte gaten zijn ongelooflijk massief maar ze beslaan slecht een klein gebied. Vanwege de relatie tussen massa en zwaartekracht betekent dit dat hun aantrekkingskracht enorm moet zijn. Nagenoeg niets kan er van ontsnappen. Volgens de klassieke fysica kan zelfs licht niet ontsnappen uit een zwart gat.

Een dergelijke aantrekkingskracht leidt tot problemen om zwarte gaten waar te nemen omdat wetenschappers ze niet kunnen zien o de manier als ze gewone sterren en andere objecten in het heelal kunnen bekijken. In plaats daarvan moeten wetenschappers gebruik maken van straling die wordt uitgezonden als gas en stof met grote snelheid worden aangetrokken. Supermassieve zwarte gaten die in het centrum van een sterrenstelsel liggen zijn omgeven door grote hoeveelheden gas en stof waardoor zelfs straling die hun aanwezigheid kan verraden wordt tegen gehouden.

Soms, als materie naar een zwart gat wordt getrokken kaatst het weer af van de waarnemingshorizon en wordt het weer naar buiten geslingerd. Dit levert heldere jets van materie op die bijna met de lichtsnelheid bewegen. Ofschoon het zwarte gat nog steeds onzichtbaar blijft kunnen dergelijke jets vanaf grote afstanden worden waargenomen.

Zwarte gaten bestaan uit drie verschillende “lagen”: de buitenste en de binnenste event horizon en de singulariteit.

De waarnemingshorizon van een zwart gat is de grens tussen de mond van het zwarte gat waar licht het vermogen verliest om te ontsnappen. Als een deeltje voorbij de waarnemingshorizon is kan het niet meer terug. Langs de waarnemingshorizon is de zwaartekracht constant.

Het binnenste deel van het zwarte gat waar de massa zich bevindt wordt de singulariteit genoemd. Het is de punt in de ruimte-tijd waarin alle massa van een zwart gat is geconcentreerd.

In de klassieke wetten van de fysica kan niks ontsnappen uit een zwart gat echter als er quantum mechanica aan de vergelijkingen wordt toegevoegd verandert dit de zaak.

In de quantum mechanica is er voor ieder deeltje een tegendeeltje. Dit is een deeltje met dezelfde massa maar een tegengestelde elektrische lading. Als deze deeltjes elkaar tegen komen kan een deeltje-antideeltje paar zichzelf vernietigen.

Als een deeltje-tegendeeltjespaar wordt gevormd net buiten de invloedssfeer van de waarnemingshorizon van een zwart gat dan is het mogelijk dat één van de deeltjes in het zwarte gat wordt getrokken en het andere deeltje wordt weggeslingerd. Het resultaat is dat de waarnemingsorizon van een zwart gat kleiner wordt en het zwarte gat kan vervallen, iets wat in de klassieke mechanica onmogelijk is.

Wetenschappers werken nog steeds een het begrijpen van de berekeningen die gelden voor een zwart gat. Het is uitermate complexe materie waar we nog niet veel van weten.

Interessante feiten over zwarte gaten

  • Als je in een zwart gat valt dan wordt je door de zwaartekracht als een sliert spaghetti uitgetrokken. Maak je er verder geen zorgen over want je bent al lang voor die tijd dood.
  • Zwarte gaten zuigen niet. Zuiging wordt veroorzaakt als iets in een vacuüm wordt getrokken en een zwart gat heeft niks te maken met een vacuüm. In plaats daarvan vallen objecten in een zwart gat.
  • Albert Einstein voorspelde in 1916 met zijn algemene relativiteitstheorie het bestaan van zwarte gaten.
  • De term “zwart gat” werd in 1967 door de Amerikaanse astroom John Wheeler als eerste gebruikt.
  • De röntgenbron Cygnus X-1 was het eerste object waarvan men dacht dat het een zwart gat zou zijn. Cygnus X-1 is ontdekt m.b.v. raketten die Geigertellers aan boord hadden. In 1971 detecteerden wetenschappers sterke radiostraling van Cygnus X-1 en er werd een massieve onzichtbare begeleider gevonden die als zwart gat werd geïdentificeerd.
  • In 1974 was Cygnus X-1 onderwerp van een vriendelijke weddenschap tussen Stephen Hawking en Kip Thorne waarbij Hawking ontkende dat Cygnus X-1 een zwart gat was. In 1990 gaf Hawking zijn verlies toe.
  • Meteen na de oerknal ontstonden er miniatuur zwarte gaten. De snel uitdijende ruimte heeft mogelijk sommige gebieden samengeperst tot kleine, zware zwarte gaten die lichter zijn dan onze Zon.
  • Als een ster te dicht langs een zwart gat passeert kan ze uit elkaar worden getrokken.
  • Astronomen hebben berekend dat er ergens tussen de 10 miljoen en een miljard stellaire zwarte gaten met een massa van drie keer de Zon in ons eigen sterrenstelsel voorkomen.
  • De relatie tussen de snaarheorie en zwarte gaten schept de mogelijkheid dat er meer soorten massieve reuzen bestaan dan onder de conventionele klassieke mechanica.

Eerste publicatie: 12 augustus 2013
Laatste keer bewerkt op: 4 maart 2017